淺析華東地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

盧祖貴

(福建省古田縣水利局,福建 古田 352200)

1 前 言

我國(guó)水資源相當(dāng)豐富,流域面積在 100km2以下的小河流不計(jì)其數(shù)。在眾多的小河流上,興建中小型水庫(kù),發(fā)展灌溉渠系等工程,如修建農(nóng)田水利工程的小水庫(kù),渠系上交叉建筑物如涵洞、泄洪閘,以及城鎮(zhèn)地區(qū)的防洪工程等,都要求提供這些小流域某種頻率的設(shè)計(jì)洪水。

特小流域與大、中、小流域相比,不僅集水面積特別小,而且暴雨洪水的產(chǎn)流、匯流也有自身的特點(diǎn),如暴雨空間分布比較均勻、地下徑流比例較小、匯流時(shí)間較短、坡地匯流起主導(dǎo)作用等。鑒于特小流域洪水形成的諸多特點(diǎn),水文科技人員做了大量的試驗(yàn)研究,總結(jié)了許多理論公式和計(jì)算方法,并不斷在工程實(shí)踐中加以應(yīng)用和驗(yàn)證。因此,本文試圖通過(guò)介紹小流域洪水設(shè)計(jì)計(jì)算的基本方法,分析其適用性和優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合對(duì)小型水利工程小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)例的比較和分析,從而探討尋求合理的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。現(xiàn)就華東地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法淺析如下。

2 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的基本方法

2.1 小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的幾種主要方法

流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算工作已有 100多年的歷史,計(jì)算方法在逐步充實(shí)和發(fā)展,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由計(jì)算洪峰流量到計(jì)算洪水過(guò)程。從華東地區(qū)近幾十年小流域水利工程的設(shè)計(jì)情況來(lái)看,20世紀(jì)八九十年代主要采用的設(shè)計(jì)方法:(1)歷史痕跡估算法;(2)水文比擬法;(3)諾模圖表推求法。本世紀(jì)以來(lái)主要采用的設(shè)計(jì)方法:(1)推理公式法;(2)華東特小流域參數(shù)法;(3)瞬時(shí)單位線法等。

2.2 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的常用方法

2.2.1 原較常用的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及適用性簡(jiǎn)評(píng)

20世紀(jì)末隨著我國(guó)水利工程和股份制小水電工程的大量涌現(xiàn),我國(guó)水電工程技術(shù)人員一直沿用舊的方法來(lái)推算小流域設(shè)計(jì)洪水,由于水文比擬法不宜在集雨面積差異大的流域中使用,所以一般在特小流域洪水計(jì)算時(shí)不采用,以下簡(jiǎn)述常用兩種方法的基本原理。

(1)歷史痕跡估算法:首先在河流上下游選擇比較順直、平穩(wěn)、無(wú)較大支流匯入的河段進(jìn)行,盡可能收集歷史洪水,尋找洪水痕跡標(biāo)志,并測(cè)量上、下游河道痕跡以下斷面和斷面間的距離,以及該段河道的比降,應(yīng)用謝才公式算出河道平均流速,最后推算得到設(shè)計(jì)洪峰流量。

(2)諾模圖表推求法:主要由暴雨來(lái)推求設(shè)計(jì)洪峰流量,以單一流域范圍內(nèi)降一次暴雨、匯流于特定出口所形成的最大洪峰流量為依據(jù),福建省水文總站根據(jù)基本公式,把多個(gè)參數(shù)分析變換成相關(guān)函數(shù),繪制成七變數(shù)合軸相關(guān)圖(即諾模圖),由圖上可直接導(dǎo)出最大設(shè)計(jì)洪峰流量。

上述兩種方法都是在無(wú)水文資料或資料極短缺的情況下,采用近似估算的較簡(jiǎn)單辦法,減少了許多繁重的設(shè)計(jì)計(jì)算,簡(jiǎn)便易算但相對(duì)較粗略,前者存在很多的不確定性,主觀人為因素多;后者限于年代已久,千篇一律,誤差極大,已逐漸不適宜使用。

2.2.2 目前主要采用的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及適用性簡(jiǎn)評(píng)

隨著水電技術(shù)人員技術(shù)水平的不斷提高,以及近十年計(jì)算機(jī)技術(shù)大量普及,現(xiàn)行主要采用推理公式法、瞬時(shí)單位線法、華東特小流域參數(shù)法等,其中瞬時(shí)單位線法比較適合于集雨面積在 200km2至1000km2,且無(wú)洪水資料的流域,所以對(duì)于特小流域一般不采用。下面介紹常用的兩種特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算基本思路。

(1)推理公式法:先把流域的產(chǎn)流、匯流條件均化、概化后,根據(jù)水流的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)立求解,推導(dǎo)出流域出口斷面洪峰流量的計(jì)算公式。經(jīng)過(guò)確定穩(wěn)定入滲率 fc值,用 fc值將各時(shí)段的凈雨分割成地表和地下凈雨兩部分,由設(shè)計(jì)流域的特征參數(shù)推求 m值,通過(guò)繪制 Qm～τ和 Qm～t兩條關(guān)系曲線,求得設(shè)計(jì)地表洪峰流量;將計(jì)算得到的地下洪量,按照等腰三角形分配,即得設(shè)計(jì)地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的設(shè)計(jì)洪峰流量。

(2)華東特小流域參數(shù)法:該法主要是利用推理公式法計(jì)算的基本原理,經(jīng)過(guò)大量分析華東地區(qū)的許多測(cè)站洪水特征,探求特小流域的雨洪特性和參數(shù)變化規(guī)律,根據(jù)地區(qū)流域下墊面類型,因地制宜地將各流域的洪水參數(shù)分成五類,分別建立各種類型的洪水參數(shù)計(jì)算公式,從而推求出洪峰流量的設(shè)計(jì)方法。

這兩種方法基本計(jì)算原理一樣,都是對(duì)產(chǎn)流、匯流條件均化、概化后,應(yīng)用電算程序進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算精確并綜合考慮了各自流域下墊面情況,排除了大部分主觀人為因素的干擾,適合無(wú)水文資料的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

3 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的應(yīng)用和比較

3.1 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算在工程實(shí)例中的應(yīng)用

古田縣杉洋嶺里水庫(kù)大壩工程,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、發(fā)電的綜合型小(一)水庫(kù),水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高 26.0m,水庫(kù)總庫(kù)容為146.5萬(wàn) m3,壩址集雨面積 2.05km2,主河道長(zhǎng)2.99km,河道平均坡降 69.5‰。工程于 1980年 1月完工并蓄水試運(yùn)行,1986年 10月在“三查三定”中對(duì)工程進(jìn)行防洪復(fù)核,2009年 5月對(duì)大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià),再一次復(fù)核防洪安全情況。以下分別敘述歷次洪水計(jì)算的基本方法和成果:

(1)歷史痕跡估算法:工程建設(shè)之初,由于缺乏水文資料,又無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算,主要采用了估算法,來(lái)推求歷史洪峰流量。估算公式如下:

式中 ω——洪水位以下的河槽斷面面積;

v——流速 ;

c——天然河槽糙率系數(shù);

R——過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃?

i——所取河段實(shí)測(cè)坡降。

對(duì)古田縣杉洋嶺里水庫(kù)經(jīng)收集歷史洪水、尋找洪水痕跡和實(shí)測(cè)計(jì)算,推求的洪峰流量為:P=2%設(shè)計(jì)洪峰流量為 25.2m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為33.6m3/s。

(2)諾模圖表推求法:1986年 10月的防洪復(fù)核主要是應(yīng)用了諾模圖表推求法,其計(jì)算公式如下:

式中 Sp——最大一小時(shí)降雨量;

Ψ——洪峰徑流系數(shù);

n——暴雨遞減指數(shù);

τ——匯流時(shí)間;

F——集雨面積;

0.278 ——單位換算系數(shù)。

經(jīng)過(guò)復(fù)核,古田縣杉洋嶺里水庫(kù)推求的洪峰流量成果為:P=2%設(shè)計(jì)洪峰流量為 27.8m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為 37.3m3/s。

(3)推理公式法:本次嶺里水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià),采用的其中一種方法,基本公式如下:

式中 Ht——相應(yīng)于 t時(shí)段的最大凈雨;

F——流域面積;

τ——流域匯流時(shí)間;

m——匯流參數(shù);

L——主干流長(zhǎng)度;

J——河道干流比降。

經(jīng)過(guò)復(fù)核推求的洪峰流量成果為:P=2%設(shè)計(jì)洪峰流量為 36.6m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為51.8m3/s。

(4)華東特小流域參數(shù)法:根據(jù)華東地區(qū)總結(jié)的流域下墊面參數(shù)類型,經(jīng)認(rèn)真考察該壩址上游,主要以較稠密的混交林和竹林等為主,巖石裸露和少量耕地,河道兩岸雜草眾生,因此洪水參數(shù) m值可?、?2類區(qū)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式 m=0.395θ0.104。推求的洪峰流量為:P=2%設(shè)計(jì)洪峰流量為 34.4m3/s;P=0.2%校核洪峰流量48.7m3/s。

3.2 不同特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的比較分析

古田縣杉洋嶺里水庫(kù)在不同階段,共采用四種計(jì)算方法,得出了不同的設(shè)計(jì)洪峰流量成果,現(xiàn)將其匯總于表1。

表1 嶺里水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量成果比較 m3/s

通過(guò)對(duì)上表的各種計(jì)算洪水成果比較來(lái)看:

(1)原設(shè)計(jì)采用的歷史痕跡估算法和首次復(fù)核用的諾模圖表推求法,計(jì)算成果較接近,P=0.2%校核洪水相差 9.9%,P=2%設(shè)計(jì)洪水相差 9.3%。

(2)本次安評(píng)洪水復(fù)核采用 2種方法,推理公式法與華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)法計(jì)算的成果也較接近,P=0.2%校核洪水相差 6.0%,P=2%設(shè)計(jì)洪水相差 6.0%。

(3)原設(shè)計(jì)采用的歷史痕跡估算法計(jì)算成果偏小,與本次安評(píng)推薦的華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)法的復(fù)核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 31%,P=2%設(shè)計(jì)洪水偏小 26.7%。

(4)首次諾模圖復(fù)核法計(jì)算成果仍偏小,與本次安評(píng)推薦的華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)法的復(fù)核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 23.4%,P=2%設(shè)計(jì)洪水偏小 19.2%。

古田縣杉洋嶺里水庫(kù)原設(shè)計(jì)和首次復(fù)核,為了減少許多繁重的設(shè)計(jì)計(jì)算,分別采用近似估算和查找圖表的方法。由于歷史痕跡估算法和查找圖表法都受很多主觀人為因素的影響,過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單粗糙,常較難反映一個(gè)區(qū)域洪水歷時(shí)匯流情況,所以計(jì)算成果可能誤差較大。但本次安評(píng)洪水復(fù)核,采用了推理公式法與華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)法相互復(fù)核,通過(guò)對(duì)入滲率的確定計(jì)算來(lái)劃分各時(shí)段的地表和地下凈雨,計(jì)算精確且綜合考慮面廣,尤其是華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)法還專門(mén)針對(duì)流域下墊面參數(shù),對(duì)壩址流域下墊面調(diào)查考證,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)植被因地制宜地確定參數(shù) m,從而使成果較真實(shí)反映了流域下墊面情況。雖然計(jì)算過(guò)程也對(duì)流域產(chǎn)流、匯流條件進(jìn)行均化和概化,但通過(guò)對(duì)計(jì)算成果的分析和歷年洪水記錄調(diào)查復(fù)核,計(jì)算方法及成果基本可靠。

4 華東地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的合理性

通過(guò)對(duì)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的介紹,以及古田縣杉洋嶺里水庫(kù)工程不同階段、四種洪水計(jì)算成果的比較分析,不難發(fā)現(xiàn) 20世紀(jì)舊的特小流域洪水計(jì)算成果偏小,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,社會(huì)對(duì)工程安全等級(jí)要求的進(jìn)一步提高,已不能再適用于目前水利工程。本世紀(jì)以來(lái),廣大水文科技人員都在認(rèn)真研究和總結(jié),不斷尋求合理推求特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的方法。

由于特小流域的產(chǎn)、匯流現(xiàn)象,不僅受控于暴雨的時(shí)空分布,而且還要受到流域下墊面條件的制約,而這種制約的程度,又隨各種下墊面有所不同,這種不同主要反映在流域(多半在坡面)調(diào)蓄能力的大小和不同水源補(bǔ)給的大小,并集中反映在以不同匯流速度描述的洪水參數(shù) m上。由此可見(jiàn),特小流域洪水參數(shù)值的確定將直接影響洪水的計(jì)算成果。根據(jù)華東電力設(shè)計(jì)院和水科院水資源所對(duì)華東地區(qū)一百多個(gè)測(cè)站的幾百場(chǎng)洪水所做的分析和研究,專門(mén)建立了各種類型洪水參數(shù) m的計(jì)算公式,該計(jì)算方法特別適合華東地區(qū)特小流域面積 F＜30km2(特別是 F＜10km2)的工程。

綜上所述,筆者認(rèn)為目前在華東地區(qū),在無(wú)水文資料或資料極短缺的情況下,既能確保一定準(zhǔn)確度,又能為大多數(shù)技術(shù)人員掌握的特小流域洪水設(shè)計(jì)方法,就是利用推理公式計(jì)算基本原理,按照華東電力設(shè)計(jì)院和水科院水資源所專門(mén)研究建立的洪水參數(shù)法來(lái)推求參數(shù) m,最后推算出設(shè)計(jì)洪峰流量的方法,即華東特小流域參數(shù)法。